Relationship of Compliance and Oxygen Transport in Experimental Acute Respiratory Failure during Positive End-Expiratory Pressure Ventilation

실험적 급성호흡부전에서 호기말양압에 의한 폐유순도와 산소운반의 변화 및 상관관계 - 호흡부전의 기전에 따른 차이 -

Background: Positive end, expiratory pressure (PEEP) has become one of the standard therapies for adult respiratory distress syndrome (ARDS). Total static compliance has been proposed as a guide to determine the size of PEEP ('best PEEP') which is of unproven clinical benefit and remains controversial. Besides increasing functional residual capacity and thus improving oxygenation, PEEP stimulate prostacyclin secretion and was proposed for the treatment of acute pulmonary embolism. But little is known about the effect of PEEP on hemodynamic and gas exchange disturbances in acute pulmonary embolism. Methods: To study the validity of total static compliance as a predictor of 'best PEEP' in ARDS and acute pulmonary embolism, experimental ARDS was induced in mongrel dog with oleic acid and acute pulmonary embolism with autologous blood clot. Then hemodynamic and gas exchange parameters were measured with serial increment of PEEP. Results:In ARDS group, total static compliance and oxygen transport were maximal at 5 cm$H_2O$, and decreased thereafter (p<0.05). With increment of PEEP, arterial oxygen tension ($PaO_2$) and arterial carbon dioxide tension ($PaCO_2$) increased and cardiac output and physiological shunt decreased. In pulmonary embolism group, total static compliance, oxygen transport, physiological shunt and cardiac output decreased and $PaO_2$ and $PaCO_2$ increased with increment of PEEP (p<0.05). Comparing the change induced by increment of PEEP by 1 cm$H_2O$ in ARDS group with that in pulmonary embolism group, there was no significant difference between two groups except cardiac output which decreased more in pulmonary embolism group (p<0.05). In ARDS group, oxygen transport and total static compliance increased after PEEP application, and total static compliance was maximal at the PEEP level where oxygen transport was maximal. However in pulmonary embolism group, oxygen transport and total static compliance decreased after application of PEEP. There was significant correlation between change of total static compliance and change of oxygen transport in both groups. Conclusion: In both ARDS and acute pulmonary embolism, it can be concluded that total static compliance is useful as a predictor of 'best PEEP'.

연구배경 : 성인성 호흡곤란증후군에서 호기말양압(PEEP)이 저산소혈증을 호전시키는 기전은 감소된 기능적잔기량의 증가에 따른 생리적단락의 감소이며 어느 수준 이상의 PEEP에서는 심박출량이 유의하게 감소해 산소운반은 오히려 감소하는 것으로 알려져 있다. 산소운반이 최대인 PEEP 수준을 결정하는 비관혈적 지표로 폐유순도(compliance)가 보고되었으나 이의 유용성에 대해서는 논란이 많다. 한편 급성 폐동맥색전증은 성인성 호흡곤란증후군과는 달리 기능성 잔기량의 감소가 유의하지 않은 질환이며 따라서 PEEP의 적용에 따른 환기 및 혈류역학의 변화도 다를 것으로 추측된다. 저자들은 성인성 호흡곤란증후군과 급성 폐동맥색전증에서 총정적유순도(total static compliance)가 산소운반을 최대로하는 PEEP 수준의 결정에 유용한 지표로 이용될 수 있는가를 검정해보고, 성인성 호흡곤란증후군과는 저산소증의 기전이 다른 급성 폐동맥색전증에서 PEEP 적용에 따른 환기 및 혈역학의 변화에 대한 기초자료를 제공하고자 본 연구를 시행 하였다. 방법 : 한국산 잡견 14마리중 7마리에는 oleic acid 0.07ml/kg를 정주해 성인성 호흡곤란증후군을 유발하고, 나머지 7마리에는 자가혈병을 이용해 급성 폐동맥색전증을 유발한 후 PEEP 수준을 0, 5, 8, 12, 15 cm$H_2O$로 증가시켜가며 환기 및 혈역학의 제지표를 측정하였다. 결과: 1) PEEP수준의 증가에 따른 환기 및 혈역학의 변화 ARDS군에서 PEEP수준의 상승에 따라 동맥혈 산소분압및 동맥혈 이산화탄소분압은 증가하였고, 생리적단락과 심박출량은 감소하였다 (p<0.05). 급성 폐동맥색전증군에서도 PEEP수준의 상승에 따라 생리적단락 및 심박출량은 감소하였고, 동맥혈 산소분압 및 동맥혈 이산화탄소분압은 증가하였다 (p<0.05). PEEP수준 1 cm$H_2O$ 상승에 따른 변화로 심박출량의 감소는 급성 폐동맥색전증군에서 ARDS 군에 비해 유의하게 컸고, 동맥혈 산소분압, 동맥혈 이산화탄소분압, 생리적단락 및 폐혈관저항의 변화는 두군간에 유의한 차이가 없었다. 2) 산소운반과 총정적유순도 ARDS군에서 총정적유순도와 산소운반은 PEEP 적용후 증가해 5 cm$H_2O$에서 가장 컸으며 (p<0.05), 급성 폐동맥색전증군에서는 PEEP 적용후 총정적유순도와 산소운반이 감소하였다(p<0.05). 양군 모두 산소운반이 최대인 PEEP 수준에서 총정적유순도도 최대치를 기록하였다. ARDS군에서 산소운반의 변화와 총정적유순도의 변화사이에는 유의한 상관관계가 있었고 (r=0.86, p<0.01), 급성 폐동맥색전증군에서도 산소운반의 변화와 총정적유순도의 변화사이에 약한 상관관계가 있었다(r=0.60, p<0.01). 결론 : 이상의 결과로 ARDS와 급성 폐동맥색전증에서 PEEP의 적용시 산소운반을 최대로 유지하기 위한 PEEP수준의 결정에 총정적유순도가 유용한 지표로 이용될 수 있을것으로 생각된다.